CN1827809A

CN1827809A - 用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法及设备

Info

Publication number: CN1827809A
Application number: CN 200610009848
Authority: CN
Inventors: 许志武; 张洋; 许惠斌; 刘巾娜; 闫久春; 杨士勤
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: CN100516258C

Abstract

本发明提供的是一种用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法及其设备。将清洁的基体合金放置入坩埚中，启动抽真空装置的真空泵、抽真空至5×10^－5乇，然后在真空系统内充入保护气体，将合金加热，控制加热温度下限高于基体合金的液相线，上限低于液相线+100～125℃，进行熔化，待合金全部熔化后解除真空，对合金液进行除渣处理，按所需体积分数，加入清洁的增强相颗粒，抽真空后充保护气体，启动机械搅拌装置进行搅拌，同时启动超声波振动装置从坩埚底部导入超声波振动，待搅拌及超声波振动停止后，将复合焊料合金液进行除渣处理后随炉冷却制成复合焊料铸錠。本发明能够提高复合焊料的制备效率，克服增强相/基体的润湿不彻底及增强相微观偏聚的问题，优化基体合金凝固组织。

Description

用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法及设备

(一)技术领域

本发明涉及的是一种材料的制备方法，具体地说是一种焊接材料的制备方法。本发明还涉及这种制备方法的专用设备。

(二)背景技术

颗粒增强铝基复合材料具有比强度、比刚度高、抗蠕变、热膨胀系数小、高温性能好等优良特性。随着制备工艺地不断改进，该种材料的成本大大降低，其在航空航天、国防领域，如导弹、坦克、装甲车等，以及民用工业中具有广泛的应用前景，如汽车发动机活塞、连杆刹车器和自行车零部件等。然而，由于该种复合材料中的增强相颗粒与基体合金的成分、结构和性能相差都很大，通常它们之间的物理、化学相容性较差，导致该种材料具有较差的焊接性。焊接成为了该种材料在结构中大量应用、逐步走向实用化的严重障碍。

颗粒增强铝基复合材料焊接的关键之一是接头中最终能形成带增强相的复合焊缝，使接头的组织结构与母材的近似而达到综合性能与其保持一致的目的。在铝基复合材料众多的焊接方法中，固相焊接方法(如扩散焊、瞬间液相焊等)避免了复合材料的熔化，还可将焊接温度控制在基体与增强相不发生反应的范围内，被认为是较适合于焊接铝基复合材料的方法。然而，这些方法采用常规的合金或纯金属填充焊料，要实现增强相向焊缝中过渡并在其中均匀分布以形成复合焊缝这样一个过程非常困难。如果在焊料中掺入增强相，即采用带增强相的复合焊料就应更容易实现这一目的。因而，有必要制备流动性、润湿性好，能抑制不利的冶金反应，强化焊缝的复合专用填充材料其中包括特殊钎料。

带增强相的复合焊料的制备一般都参照铝基复合材料的制备方法。目前铝基复合材料常用的制备方法有：挤压铸造、粉末冶金、喷射沉积、原位复合、搅拌铸造及高能超声复合法。挤压铸造法制备的复合材料一般体积分数都比较高(大于20％)，该方法制备出的低体积分数的复合材料(小于10％)性能不太稳定；粉末冶金适合于制备低体积分数的复合材料，但工艺过程比较复杂，制备的复合材料孔隙率大，塑性差；喷射沉积法工艺简单、凝固迅速、无界面反应，所得材料耐磨性好，但材料中增强相与基体属机械结合，拉伸强度有限，空洞率也比较高，不适于近净成型；原位复合法主要是利用金属凝固过程中相变规律在材料中形成具有一定方向性排列的第二相粒子，达到增强的目的，这种材料各项异性，其制备过程一般要用定向凝固，因而制造工艺较为复杂；搅拌铸造法以其工艺、设备简单，适应性强，生产率高而倍受人们青睐，也比较适于制备各种体积分数的复合材料，其主要问题是不能彻底解决增强相/基体的润湿问题而引起增强相微观偏聚，影响了添加增强相的速度和复合材料的最终性能。高能超声复合法能够在极短的时间一次同时实现增强体在基体中的润湿与分散，并能完成除气、除渣的任务，是一种工艺简便、成本低廉的制备方法，尤其是在极细颗粒增强复合材料的研制领域它还有着独特的优势，但超声波变幅杆必须接触金属液，长时间工作变幅杆端部腐蚀和损耗严重，造成基体合金污染。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高复合焊料的制备效率，克服增强相/基体的润湿不彻底及增强相微观偏聚的问题，优化基体合金凝固组织，以避免复合焊料中的界面缺陷引入到铝基复合材料焊缝中、严重影响接头性能的用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制备方法。本发明的目的还在于提供这种制备方法的专用设备。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制备装置的组成包括抽真空系统、加热温控器、机械搅拌装置和超声振动装置，坩埚放置在设置有抽真空系统的壳体中，坩埚外带有高频感应加热线圈，高频感应加热线圈与加热控制器相连，坩埚中设置有机械搅拌装置，机械搅拌装置的传动杆伸出壳体并与电机相连，壳体下部带有超声振动装置，壳体上连接有保护气体充入管和放气管。

本发明的制备方法为：将清洁的基体合金放置入坩埚中，启动抽真空装置的真空泵、抽真空至5×10^-5乇，然后在真空系统内充入保护气体，将合金加热，控制加热温度下限高于基体合金的液相线，上限低于液相线+100～125℃，进行熔化，待合金全部熔化后解除真空，对合金液进行除渣处理，按所需体积分数，加入清洁的增强相颗粒，抽真空后充保护气体，启动机械搅拌装置进行搅拌，同时启动超声波振动装置从坩埚底部导入超声波振动，待搅拌及超声波振动停止后，将复合焊料合金液进行除渣处理后随炉冷却制成复合焊料铸錠。

本发明的方法还可以包括：

1、所述的搅拌的转速为500-1500r/min，时间为5-50min。

2、所述的超声波振动的频率为15-28KHz，振幅为10-30μm，超声振动时间为5-20min。

3、所述的保护气体是Ar或N₂。

4、制备成的复合焊料铸锭经过拉拔等工艺后可加工成棒状或丝状，方便于焊接使用。

本发明技术主要的优点为：

1、超声波声导杆不直接接触金属液，避免了变幅杆由于与高温金属液接触造成的腐蚀和损耗，以及由此造成金属液污染、夹杂。

2、解决了增强相颗粒与基体合金的润湿问题，避免了颗粒/基体缺陷界面及颗粒团聚现象。

3、超声波振动既可有效改善增强相的分布和基体的凝固组织形态，也可有效去除复合焊料熔体中的气体，避免气孔残留。

机械搅拌与超声振动搅拌的复合加强了增强相与基体合金的混合，由此可加快增强相的添加速度，提高制备效率；所能制备的复合焊料的增强相颗粒尺寸、体积分数范围扩大，颗粒尺寸可以从纳米级至微米级(平均粒度0.01～50μm)，体积分数可以从0～30％。

(四)附图说明

附图是本发明的装置的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面举例对本发明作更详细的描述：

结合附图，本发明的用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制备方法的专用设备的组成包括抽真空装置1、加热温控器2、机械搅拌装置3和超声振动装置4，坩埚5放置在设置有抽真空装置的壳体6中，坩埚外带有高频感应加热线圈7，高频感应加热线圈与加热控制器2相连，坩埚中设置有机械搅拌装置，机械搅拌装置的传动杆伸出壳体并与电机8相连，壳体下部带有超声振动装置4，壳体上连接有保护气体充入管9和放气管10。

本发明的方法是采用本发明的设备来完成的：具体方法为：

将所有熔炼工具彻底清除干净，并及时涂上涂料，尽可能防止杂质进入所制备的复合材料中。对增强相颗粒及复合材料基体合金进行清洁处理，将经预处理的基体合金放置入坩埚中，启动真空泵抽真空至5×10^-5乇，然后在真空系统内充入Ar气或者N₂气。启动加热系统对合金在一定温度下(加热温度下限高于基体合金的液相线，上限低于液相线+100～125℃)进行熔化，待合金全部熔化后解除真空，对合金液进行除渣处理。按所需体积分数，加入经预处理的增强相颗粒，抽真空后充Ar气或者N₂气保护。启动电机将非铁质搅拌杆放入到坩埚熔体中进行搅拌，搅拌的转速为500-1500r/min，时间为5-50min，同时启动超声波振动系统从坩埚底部导入超声波振动，超声波振动的频率为15-28KHz，振幅为10-30μm，超声振动时间为5-20min。待搅拌及超声波振动停止后，将复合焊料合金液进行除渣处理后随炉冷却。制备成的复合焊料铸锭经过拉拔等工艺后可加工成棒状或丝状，方便于焊接使用。

以制备10％SiC_p/Zn-Al复合焊料为例：

将所有熔炼工具彻底清除干净，并及时涂上ZnO涂料。对平均直径为12.6μm的SiC增强相颗粒及Zn-Al基体合金(Cu：3.22％、Mg：0.82％、Mn：0.91％、Fe：0.01％、Si：0.81％、Zn：89.3％、Ni：0.05％、Al：4.2％、余量为杂质)进行清洁处理，将经预处理的基体合金放置入坩埚中，启动真空泵抽真空至5×10^-5乇，然后在真空系统内充入Ar气。启动加热系统对合金在500℃下进行熔化，待合金全部熔化后解除真空，对合金液进行除渣处理。加入体积分数为10％经预处理的SiC颗粒，抽真空后充气Ar气保护。启动电机将非铁质搅拌杆放入到坩埚熔体中进行搅拌，搅拌的转速为800r/min，时间为30min，同时启动超声波振动系统从坩埚底部导入连续的超声波振动，超声波振动的频率为20KHz，振幅为15μm，超声振动时间为10min。待搅拌及超声波振动停止后，将复合焊料合金液进行除渣处理后随炉冷却。制备成的10％SiC_p/Zn-Al复合焊料铸锭经过拉拔等工艺后可加工成棒状，方便于焊接使用。

所制备的复合焊料的增强相颗粒是B₄C、SiC、SiO₂、Al₂O₃、TiC、TiB₂、AlN、TiN、ZrO₂(平均粒度0.01～50μm，体积分数5～30％)颗粒中的一种；

所制备的复合焊料的基体合金是Zn基焊料Zn-Al-Cu(Cu：3.22％、Mg：0.82％、Mn：0.91％、Fe：0.01％、Si：0.81％、Zn：89.3％、Ni：0.05％、Al：4.2％、余量为杂质)、PTZn95Al、PTZn90Al、PTZn70Al、Zn72.5Al、Zn60Cd、Zn58SnCu或者铝基焊料HLAlSi10、HLAlSi12、HLAlSiCu10、Al12SiSrLa、HL403、HL401、B62、Al60GeSi、HlAlSiMg7.5-1.5、HLAlSiMg10-1.5或HLAlSiMg12-1.5中的一种；

加入增强相后，施加的超声波振动可以是连续的，也可以是间断的；

复合焊料合金液进行除渣处理后可以随炉冷却，也可浇注成铸锭。若是采用随炉冷却方式，在基体合金的固液相线区间还可以施加超声波振动，超声波振动的频率为15-28KHz，振幅为10-30μm，超声振动时间为5-20min，施加的超声波振动可以是连续的，也可以是间断的；以改善基体金属的凝固组织形态，达到细化的作用。

Claims

1、一种用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法，其特征是：将清洁的基体合金放置入坩埚中，启动抽真空装置的真空泵、抽真空至5×10^-5乇，然后在真空系统内充入保护气体，将合金加热，控制加热温度下限高于基体合金的液相线，上限低于液相线+100～125℃，进行熔化，待合金全部熔化后解除真空，对合金液进行除渣处理，按所需体积分数，加入清洁的增强相颗粒，抽真空后充保护气体，启动机械搅拌装置进行搅拌，同时启动超声波振动装置从坩埚底部导入超声波振动，待搅拌及超声波振动停止后，将复合焊料合金液进行除渣处理后随炉冷却制成复合焊料铸錠。

2、根据权利要求1所述的用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法，其特征是：所述的搅拌的转速为500-1500r/min，时间为5-50min。

3、根据权利要求3所述的用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法，其特征是：所述的超声波振动的频率为15-28KHz，振幅为10-30μm，超声振动时间为5-20min。

4、根据权利要求3所述的用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法，其特征是：所述的保护气体是Ar或N₂。

5、根据权利要求4所述的用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法，其特征是：制备成的复合焊料铸锭经过拉拔等工艺后加工成棒状或丝状，。

6、一种用于颗粒增强铝基复合材料焊接的复合焊料的制法的专用设备，其特征是：它包括抽真空系统、加热温控器、机械搅拌装置和超声振动装置，坩埚放置在设置有抽真空系统的壳体中，坩埚外带有高频感应加热线圈，高频感应加热线圈与加热控制器相连，坩埚中设置有机械搅拌装置，机械搅拌装置的传动杆伸出壳体并与电机相连，壳体下部带有超声振动装置，壳体上连接有保护气体充入管和放气管。